工程實(shí)踐融入教學(xué)的嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程改革與探索*

張兵 袁進(jìn)

宿遷學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800

0 引言

2017年教育部發(fā)布文件推進(jìn)新工科建設(shè)，要求高校要加快發(fā)展、建設(shè)新工科。新工科的內(nèi)涵是：以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程與很多專業(yè)，如通信工程、計(jì)算機(jī)、人工智能、電子等專業(yè)有重疊，具備新工科的交叉復(fù)合特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的主要技術(shù)更是新工科的重要支撐技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)涉及多個(gè)領(lǐng)域的工程應(yīng)用，也是物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新興行業(yè)的重要技術(shù)。因此，順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，分析目前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才需求和高校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，與新工科建設(shè)理念相結(jié)合，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用教學(xué)改革，對(duì)提高嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用教學(xué)質(zhì)量，提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的專業(yè)建設(shè)水平，提高應(yīng)用技術(shù)人才專業(yè)水平，有極為重要的幫助，也為國家新工科建設(shè)戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用是一門綜合性比較強(qiáng)的課程，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中是一門核心的專業(yè)必修課。起著承上啟下的重要作用，將前面所學(xué)的C 語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)電、模電、傳感器等課程的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，還是后續(xù)的無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐等課程的重要支撐。而嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程課時(shí)相對(duì)有限[2]，涉及的知識(shí)比較多，比如嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)論、ARM 體系架構(gòu)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)等，學(xué)生在學(xué)完課程的內(nèi)容后只能獲得較為籠統(tǒng)的表層理解，實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)手實(shí)踐操作比較困難。

學(xué)校嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)與理論課時(shí)一般為1 ∶2，側(cè)重于理論教學(xué)。教師在講授理論課時(shí)所需條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，直接用PPT、板書的傳統(tǒng)方式呈現(xiàn)，簡單易行；但對(duì)于實(shí)踐方面來說，所需的硬件資源比較復(fù)雜，尤其在一些教學(xué)資源較為緊張的情況下，實(shí)踐教學(xué)開展不足。教師的科研側(cè)重于理論研究，對(duì)實(shí)踐方面的研究相對(duì)少一些，使得教師的理論與實(shí)踐兩端不均衡，導(dǎo)致沒有足夠的實(shí)踐教學(xué)師資。

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程一般使用固定的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生不了解系統(tǒng)的整體運(yùn)行，不須設(shè)計(jì)電路，不須選擇芯片元件，僅按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟去做，去驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體操作過程中缺少主動(dòng)性和探究性，沒有獨(dú)立開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，換個(gè)開發(fā)板就不會(huì)使用。大部分學(xué)生處于臨摹狀態(tài)，只是依葫蘆畫瓢，能看懂實(shí)驗(yàn)，但并沒有理論聯(lián)系實(shí)際，無法對(duì)知識(shí)點(diǎn)形成深刻的記憶。每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一獨(dú)立，相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，不利于綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 工程實(shí)踐融入教學(xué)的改革

2.1 構(gòu)建師生共同體的教學(xué)目標(biāo)

為了改變現(xiàn)有的教學(xué)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)新工科培養(yǎng)人才的教學(xué)目標(biāo)，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，需要重新構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)。首先在基礎(chǔ)知識(shí)方面要夯實(shí)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)要點(diǎn)的掌握；其次是嵌入式系統(tǒng)能力的提升，包括硬件設(shè)計(jì)能力、程序編寫能力、算法設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)調(diào)試能力、問題剖析能力等；再次要培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)的思維構(gòu)建，主要是邏輯思維、工程思維、創(chuàng)新思維等思維能力的構(gòu)建；最后還要培養(yǎng)學(xué)生面向未來職業(yè)規(guī)劃挑戰(zhàn)的勇氣，具備挑戰(zhàn)有難度項(xiàng)目、克服困難、自主學(xué)習(xí)的能力，具備挑戰(zhàn)自我，工程規(guī)范、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

2.2 重塑教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的課時(shí)不足、理論不知如何與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)踐項(xiàng)目不會(huì)做等問題，可以通過四個(gè)階梯來重塑教學(xué)內(nèi)容。

第一階梯，線上學(xué)習(xí)用慕課來夯實(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)[3]。學(xué)生可以利用碎片化的時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，并且根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況多次重復(fù)觀看視頻，有不理解的知識(shí)點(diǎn)可以帶到課堂向教師線下請(qǐng)教，教師可以充分利用有限的理論課時(shí)講解基礎(chǔ)知識(shí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，和學(xué)生討論學(xué)習(xí)中的問題。

第二階梯，案例教學(xué)[4]，在案例中讓學(xué)生知道基礎(chǔ)知識(shí)如何被應(yīng)用。如STM32 的GPIO 口的基礎(chǔ)知識(shí)及相關(guān)寄存器的設(shè)置，可以利用設(shè)備指示燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例來講解如何將具體知識(shí)應(yīng)用到項(xiàng)目之中；中斷的基礎(chǔ)知識(shí)和STM32 的中斷機(jī)制使用競賽搶答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例，使學(xué)生能更清晰地理解中斷的使用；STM32 定時(shí)器及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)知識(shí)使用電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例、看門狗基礎(chǔ)知識(shí)使用環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)自復(fù)位的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例、STM32 的USART 基礎(chǔ)知識(shí)使用視頻監(jiān)控中三維控制鍵盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例等等。在不同案例中使學(xué)生將所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)能靈活地應(yīng)用到具體的案例中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第三階梯，翻轉(zhuǎn)課堂，思維引領(lǐng)。通過第一、第二階梯，學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)并對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的具體應(yīng)用有了了解，在第三階梯引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)解決問題的時(shí)候去分析、探索新的問題，使學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂上對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)有更深刻的理解并能靈活應(yīng)用，從而培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，有利于下一階段項(xiàng)目的完成。

第四階梯，項(xiàng)目挑戰(zhàn)[5-7]。項(xiàng)目實(shí)踐是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和應(yīng)用，把第三階梯的項(xiàng)目思維和第一、第二階梯所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。在項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在布置項(xiàng)目過程中充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分模塊步步推進(jìn)，并在項(xiàng)目中體現(xiàn)階梯性，既能解決基礎(chǔ)問題，也有一定的階梯度，便于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在具體的課時(shí)分配中，線上教學(xué)20 課時(shí)，案例教學(xué)16 課時(shí)，翻轉(zhuǎn)課堂12 課時(shí)，項(xiàng)目教學(xué)16課時(shí)，嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用總課時(shí)64 課時(shí)。

2.3 課程教學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)階段

在嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)過程中，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)進(jìn)程，將嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程知識(shí)體系融入學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)的思維引導(dǎo)中。根據(jù)四個(gè)學(xué)習(xí)階梯把學(xué)習(xí)過程分為三個(gè)階段。

第一階段以模塊化思維為引導(dǎo)，以解決基礎(chǔ)知識(shí)模塊為案例出發(fā)點(diǎn)。在線上課程中學(xué)習(xí)STM32F4芯片的基礎(chǔ)知識(shí)，將GPIO 口模塊、IIC 模塊、LCD模塊、AD 模塊、傳感器模塊綜合應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目編程中靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。

第二階段以工程思維為引導(dǎo)，以兩三個(gè)具有一定挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目為引入。要深入理解定時(shí)器、中斷及通信的概念及使用方法。

第三階段以創(chuàng)新思維為引領(lǐng)，以完成三個(gè)綜合性、創(chuàng)新性項(xiàng)目為目標(biāo)。通過智慧共享單車系統(tǒng)、智慧氣象系統(tǒng)、智慧城市照明系統(tǒng)三個(gè)項(xiàng)目的綜合實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生面向未來，迎接更高的挑戰(zhàn)。

項(xiàng)目教學(xué)貫穿教學(xué)的后半程：立項(xiàng)、開題、技術(shù)、中期、測(cè)試、結(jié)題。在教學(xué)中重視實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)的后半程重點(diǎn)呈現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)的內(nèi)容。第一階段占7 周時(shí)間，讓學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)知識(shí)，通過基礎(chǔ)案例培養(yǎng)學(xué)生的模塊化思維。第二階段占4 周時(shí)間，通過進(jìn)階案例培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。第三階段占5周時(shí)間，通過綜合項(xiàng)目案例培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。項(xiàng)目教學(xué)中新的知識(shí)占比達(dá)50%以上，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，使項(xiàng)目具有挑戰(zhàn)性與高階度。如表1所示。

表1 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

3 教學(xué)考核方式

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程目標(biāo)中對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和項(xiàng)目開發(fā)要求較高的特點(diǎn)，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用最終考核方式相對(duì)單一、重理論、忽視實(shí)踐的現(xiàn)狀進(jìn)行改革。在考核時(shí)，教師應(yīng)增加案例分析和編程方面的實(shí)踐主觀題分值，并且增加課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目實(shí)踐在平時(shí)成績中的比重。實(shí)驗(yàn)成績不僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要更重視實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的完成度和實(shí)驗(yàn)拓展挑戰(zhàn)性給出綜合評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目挑戰(zhàn)中對(duì)學(xué)生分組，一般3 人一組，項(xiàng)目小組內(nèi)學(xué)生自我評(píng)價(jià)與相互評(píng)價(jià)相結(jié)合，教師根據(jù)項(xiàng)目的完成度和創(chuàng)新性給出綜合評(píng)價(jià)。項(xiàng)目評(píng)分占比：教師和學(xué)生的評(píng)價(jià)各占一半。具體考核形式如表2所示。

表2 教學(xué)考核設(shè)計(jì)

4 教學(xué)成效

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程教學(xué)改革從2019年開始已進(jìn)行3 輪，課程依托超星泛雅平臺(tái)開展線上線下混合式教學(xué)，線上進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)與部分項(xiàng)目案例教學(xué)，線下進(jìn)行項(xiàng)目案例的研討、創(chuàng)新思維訓(xùn)練。真實(shí)項(xiàng)目的融入，讓學(xué)生先學(xué)習(xí)再提高，理論與實(shí)踐相結(jié)合，真正學(xué)有所用。在2021—2022 學(xué)年秋季的嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用的教學(xué)中，運(yùn)用本教學(xué)模式的兩個(gè)班級(jí)（2019 級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)）同卷面測(cè)試的成績超過了對(duì)照授課兩個(gè)班級(jí)（2019 級(jí)電子信息工程專業(yè)），如圖1所示。

圖1 本教學(xué)班級(jí)（2019 級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)）與對(duì)照班級(jí)（2019 級(jí)電子信息工程專業(yè)）成績對(duì)比

工程實(shí)踐融入教學(xué)方法改革在相關(guān)學(xué)科競賽中也獲得了較好的成績，運(yùn)用本教學(xué)模式的2019 級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在藍(lán)橋杯電子信息競賽、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽、節(jié)能減排大賽中分別有25 人、6 人、5 人獲獎(jiǎng)，對(duì)照班級(jí)2019 級(jí)電子信息工程專業(yè)在三個(gè)比賽中分別有10 人、3 人、0 人獲獎(jiǎng)，學(xué)科競賽教學(xué)成果顯著。

5 結(jié)束語

在國家推進(jìn)新工科建設(shè)背景下，為了培養(yǎng)出高素質(zhì)，符合行業(yè)要求的應(yīng)用型、創(chuàng)新型復(fù)合人才，積極開展嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程教學(xué)改革，采用工程融入實(shí)踐、項(xiàng)目化的教學(xué)方式，使學(xué)生在實(shí)踐中將所學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，使學(xué)生成為物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用型人才。